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1、干货-动力电池系统设计电连接技术路线中国新能源汽车动力电池系统先进电连接技术论坛. 作者： 日期：17 干货 动力电池系统设计电连接技术路线2017中国新能源汽车动力电池系统先进电连接技术论坛. 12.2号，2017中国新能源汽车动力电池系统先进电连接技术论坛在上海成功举办，吸引了400余名行业精英参与，60+动力电池/pack企业、30+新能源汽车整车企业、150余名电连接技术专家；8个精选电连接主题以及一场6位行业电连接专家同台对话沙龙，这是一场知识盛宴，更是一次思维的碰撞一次行业的进步。首位分享嘉宾是来自杭州捷能科技的陈敏陈老师，做 “动力电池系统设计电连接技术路线” 主题分享。以下是分
2、享内容：各位业界的专家、同仁大家上午好，非常感谢咱们大家这么早来参加这个论坛。我是来自杭州捷能科技有限公司的陈敏，我今天跟大家一起分享交流的内容是关于动力电车系统的电连接技术路线，讨论这个题目比较大，但是我会在后面缩小一点。我今天的一个方向内容主要分为四个部分，上面三个部分是技术相关的，最后一个部分大概介绍一下我们公司的情况，我们直接进入正题。我们来看看动力电池系统电连接的概念，什么是动力电池电连接，包含了哪些内容，在设计的时候需要关注哪些？从广义上来讲，电连接不是一个新东西，只是前面加了一个前缀，所以它就变成了一个看起来比较专业的东西。电连接从广义上来讲是电器产品中所有电器回路的集合。从狭义
3、来讲，是指产品内部不同导体连接起来的连接方式；在动力电池系统中，从广义上来讲包含的内容比较多，今天介绍的话，我会讨论比较多是狭义上的这一块。在设计的时候我们关注哪些地方？既然是电连接，肯定对过电流能力是一个基本的要求，而电连接是动力电池系统中很重要的一环，需要高安全、高可靠性的，所以我们对它的可靠性和安全性是比较关注的；我们再来看一下电连接在动力电池系统有什么样的定位，这页PPT借鉴了一位老领导的图片。电连接在动力电池系统中有一个什么样的地位？我们要做一个安全、可靠、耐用的动力电池系统，其中一块就是硬件基础，硬件基础是我们设计出来的，首先我们要有一个健壮体魄，要有一个长寿基因，还有一个智慧的大
4、脑。在前面的成组中，电连接在健壮的体魄里面发挥的作用相当于一个人体的神经网络和血管网络的作用，这是一个非常重要的部件。这是从技术层面来讲，我们所说的重要性没有必要用一些事故多危险来说明；我们说一些高兴，一个是技术层面很重要。还有一个从成本层面的占比，电连接在动力系统中，从设计端、工艺端、设备投入端成本占比很大。物料成本将近占了50%，当然我们把电芯除外；从工艺难度和节拍来讲，电连接占比非常高，将近占到50%，而在设备投入是一个非常大的一块。如果是动力电池企业或者PACK企业做这一快，优先要做的就是电连接关键工位，在设备投入占了80%。咱们刚才讲了电连接在动力电池系统的重要性，再来看看它的表现形
5、式是什么样？表现在哪些地方？它其实贯穿了PACK中非常多内容，以多箱PACK系统来看，在PACK层级，有高压和低压，还有一些电器件。在高压箱的层级就更多，这块涉及到一个安规，电气件的选型等。所以在整个系统中它是无处不在，是一种很关键的连接方式。单个电箱的系统呢？相对来说比多箱系统简单一点点，但是也是比较多的内容，它有两条路线-高压连接和低压连接；，有模组级别、模组和模组之间、模组和系统之间。我们刚才讲了动力电池系统电连接的表示形式，我今天主要介绍电连接的概念和技术路线；在设计的时候第一要满足过流能力，第二怎么做到安全、可靠。当然涉及到安全可靠的就比较多，我就不一一介绍。介绍下狭义上的电连接设计
6、安全要素，我们知道在电连接设计的时候，在做安全可靠性设计时，一个很关注的就是怎么去保护电池，在电连接位置我们怎么去做到保护电池，因为电连接之后是要连接可靠，同时它是一些机械连接，在装配的过程中很可能对一些器件产生损害，在这个过程中我们要怎么保护电池，是一个很重要的点。举个例子，大家可以看一下，这是一个方型模组输出的设计方案，两种设计其实单纯从过流来讲都可以满足，但是从安全性、可靠性来讲是有区别的。就前面来讲，前面这个对电芯受伤的损害较小，后面一个比较大。这是安全的一些设计要素今天主要介绍狭义上，广义上我只是大概介绍一下，在看看部件的设计，我们设计Busbar，如果在座有比较多做PACK的话比较
7、了解，在做Busbar设计的时候，首要一个关键的因素就是过流能力，我们怎么去判断？它很重要的一个点就是温升，如果我们单纯是说宽多少，厚多少一层，截面积多少，再查一个表，一个电流值出来了，这是比较简单的一种方式。实际在运用的过程中不是单独存在的问题，这是在设计过程中需要关注的。当然，我们刚才说的机械方面可靠性、安全性我们在设计的时候怎么去避免对薄弱结构的损害，在Busbar的设计时候就需要考虑这些东西，还有一些我们的焊接区域。其实焊接区域很重要，我们可以看到这张图，电流密度跟磁场很类似，我们连接的部位在哪个地方，这也是比较有讲究的地方。再有就是零件级，我们对高低压线束有什么要求？在选型过程中，导
8、体的过流有相应的依据可寻，这相对来说简单些，另外温度对过流能力是有很大影响的。在温度不同的时候，有一个降额的因素在里面。我们在制造里面，对加工过程有一些加工的要求，例如：压接的方式和可接受度。动力电池系统的里面高低压连接器也有一些要求，其实在座也有很多上下游的企业，我们对低压有了一些要求，我们对高压也有比较多的要求。因为这一块高压、低压连接器做得还是成熟，我们关注点当然有一些安全性，从机械方面的结构，例如：二次锁紧结构等，但这些都已经做得比较成熟，我们主要关注还是连接器温升情况。其实这个判定点，温升多少合适？这是大家比较关注的点，当然这是有相应的标准，现在一些测试报告上面基本体现比较多就是一个
9、范围值。还有一个就是在高压箱层级，对电气选型是一个比较关键的部位，我们怎么去选型？我们布置的时候有一些合理的布置，当然在我们的两本书里面有相应的介绍，我在这里就不讲得比较详细。从上面来讲，我们主要是讲动力电池系统，电连接的一些组成，动力电池里面有哪些内容，这都讲得比较广泛。下面讲动力电池系统电连接路线，我们看一个发展趋势，从2007年第一辆商用的尼桑开始，到现在正好10年，它的发展趋势很明显，咱们可以看一下，在电芯层级就是材料更新比较快，但是从连接方式和组成方式还是比较接近的，当然也有一些发展，比如多极卷绕。PACK其实曾经也是，原来的连接方式可能是快插，锁螺栓等，现在也是类似的；而一些跨界技
10、术的应用，主要集中在模组这个层级以前，咱们看到的一些技术基本都是拧螺栓（我们对焊接技术和一些拧螺栓快拆技术的分析，在下面会有一个实例）。现在比较多的是一些高安全性，低内阻的焊接连接方式应用比较多，它的一些形式和连接方式发展得比较快，这是在头几年的。其实现在咱们来看，原来都是高压连接发展比较快，其实在今年、去年这两年，在低压连接这一块，现在的发展趋势也是非常快的，今天我就没有具体地讲这一块，新型的低压连接方式可能对后面的成组方式会产生很大的影响。我们刚才看到模组级别的变化是最大的，在哪些变化最大？主要在连接。不光是电连接，还是机械连接，它的发展趋势和发展的方向是最大的，我们所说的技术路线也是针对
11、模组层级，因为现在在国内来讲，还是全球来讲，现在能实现自动化或者全自动化，集中在模组层级，在系统层级现在还是半自动居多，所以基本上从这一块的发展是比较关注的重点。不管是动力电池企业还是PACK企业，如果想做这一块，怎么去考虑技术路线，这是一个很关键的因素。咱们先看一下方型电芯的连接路线，主要有三种，从焊接形式来讲主要就是两种，可能接触比较多就是激光焊接，各位用得熟比较多，但是激光焊接也有两种，一种是穿透焊，一种是缝焊，这张图片看到的是激光焊接，其实在高压连接的时候，现在也有一些超声波连接的应用。 因为出于时间的考虑，我就没有一一地讲。在这个里面大概可以讲解一下，我们做模组的焊接，我们在设计端怎
12、么考虑？我们考虑到后期的工艺难度和设备的，你激光焊接的功率越大，你的投入就越大。在一块的时候，我们需要在设计端、工艺端、设备投资端都需要考虑。低压的话，因为不管是方型模组还是别的类型都有点类似，我就没有一一列出来。其实方型模组有一个很重要的原因，输出极相对比较简单，就是双铝极柱的应用，当然还有少量铜铝的，在外面模组层级的连接要更多地考虑。软包电芯能量比较高，还有一个就是灵活性比较大，把一部分PACK转移到模组层级，我们看软包电芯的模组是比较复杂的方式，我们要考虑我们铜铝怎么转接？你是在电芯级别转接还是在Busbar转接？现在一般用的金属转接，大部分用得还是超声焊接，是一个冷连接。他焊接的时候其
13、实没有达到金属材料的熔点，所以可靠性怎么样，这块其实现在没有非常权威的数据。大家都是这么干，特别是这种国外的，甚至在电芯级别，也有使用；上次跟一位老前辈聊天的时候，他们也提到，这种方式如果在大电流的情况下，一定时间会产生一些变化的，是比较明显的。但是也没有数据支持现在这块不靠谱，大家还是这么用。到底怎么样？这应该是后面探讨的方式，如果在座有一些这方面的专家，我们欢迎大家一起来交流这块的内容。我们在向下面介绍。激光焊接也有不同，有折弯平焊、顶缝焊、竖直平焊。你顶缝焊的时候Busbar一定是很薄，在生产焊接的时候，这个地方可能焊接对设备要求会弱一点，但是工艺难度是非常高的，每一条技术路线都有从设计
14、端、工艺端、设备端有一些需要去考虑的，当然工艺路线没有好坏之分，只有我们适不适合，就跟特斯拉一样，它选择一条全新的路线，如果它吃透了也是一个全新的亮点。圆柱电芯的电连接方式，大家看得比较多，一个就是比较传统的，应用得很成熟的电阻焊，它有两种方式：一种是尖针焊，一种是凸点焊，现在也有比较多的应用，还有一种是新型的铝丝健合焊接，这三种都有应用。他们之间不同的焊接方式，也有比较多的不同，比如说尖针焊对设备的要求高，它需要去磨针，而对汇流排的设计要求相对来说低些；凸点焊接对设备要求低些，但对汇流排的设计又会高些，需要有凸点的设计。我们看上面的几种路线，这是现有的，不排除一些新技术的应用。低压这一块其实
15、比较多的，下面这个是比较传统的，从刚开始也不能说传统的，其实在前几年的时候，他们还是拧螺栓的方式居多，但是就这两块来讲，这是应用比较成熟，但是这上面的应用其实很多挑战，现在FPC的应用，我们在连接的时候需要注意什么？实际上现在FPC因为比较薄，没有办法用软线，所以对它提出很多要求，特别是在温度采样，我们比较常见的软线相连的很难适应，这就需要一些新技术的应用，这块我也是借用了上次一个专家讲的一些图片。这块和这一块，这上面的应用可能对我们未来两三年的影响非常大。上面主要是这几块的内容，几种技术路线，里面具体有什么内容？由于时间的关系，我就不一一去分析，时间太长。我就分析一种软包电芯，我们做技术路线怎么选择？软包刚才看到也有四种连接路线，我们在这里跟大家分享两种。其实从过流来讲，两种都是没有问题了，但是我们从设计来讲，我们高压连接和低压连接，因为折弯平焊的转接如果放在Busbar做转接，它是要求比较高。因为这一种连接方式，要求Busbar比较厚，如果它去做转接，普通的超声焊接机根本做不了，会要求比较高。现在应用比较多的两种方式，一种是用铜铝复合，但应用比较少，为什么？现在基本上没几个人抗得住，
